New sensing materials of molecularly-imprinted polymers for the selective recognition of Chlortetracycline

As a result of the stressful conditions in aquaculture facilities there is a high risk of bacterial infections among cultured fish. Chlortetracycline (CTC) is one of the antimicrobials used to solve this problem. It is a broad spectrum antibacterial active against a wide range of Gram-positive and Gram-negative bacteria. Numerous analytical methods for screening, identifying, and quantifying CTC in animal products have been developed over the years. An alternative and advantageous method should rely on expeditious and efficient procedures providing highly specific and sensitive measurements in food samples. Ion-selective electrodes (ISEs) could meet these criteria. The only ISE reported in literature for this purpose used traditional electro-active materials. A selectivity enhancement could however be achieved after improving the analyte recognition by molecularly imprinted polymers (MIPs). Several MIP particles were synthesized and used as electro-active materials. ISEs based in methacrylic acid monomers showed the best analytical performance according to slope (62.5 and 68.6 mV/decade) and detection limit (4.1×10−5 and 5.5×10−5 mol L−1). The electrodes displayed good selectivity. The ISEs are not affected by pH changes ranging from 2.5 to 13. The sensors were successfully applied to the analysis of serum, urine and fish samples.

Trimethoprim-selective electrodes with molecularly imprinted polymers acting as ionophores and potentiometric transduction on graphite solid-contact

This work proposes a new biomimetic sensor material for trimethoprim. It is prepared by means of radical polymerization, having trimethylolpropane trimethacrylate as cross-linker, benzoyl peroxide as radicalar iniciator, chloroform as porogenic solvent, and methacrylic acid and 2-vinyl pyridine as monomers. Different percentages of sensor in a range between 1 and 6% were studied. Their behavior was compared to that obtained with ion-exchanger quaternary ammonium salt (additive tetrakis(p-chlorophenyl)borate or tetraphenylborate). The effect of an anionic additive in the sensing membrane was also tested. Trimethoprim sensors with 1% of imprinted particles from methacrylic acid monomers showed the best response in terms of slope (59.7 mV/decade) and detection limit (4.01×10−7 mol/L). These electrodes displayed also a good selectivity towards nickel, manganese aluminium, ammonium, lead, potassium, sodium, iron, chromium, sulfadiazine, alanine, cysteine, tryptophan, valine and glycine. The sensors were not affected by pH changes from 2 to 6. They were successfully applied to the analysis of water from aquaculture.

Man-tailored biomimetic sensor of molecularly imprinted materials for the potentiometric measurement of oxytetracycline

A novel biomimetic sensor for the potentiometric transduction of oxytetracycline is presented. The artificial host was imprinted in methacrylic acid and/or acrylamide based polymers. Different amounts of molecularly imprinted and non-imprinted polymers were dispersed in different plasticizing solvents and entrapped in a poly(vinyl chloride) matrix. Only molecularly imprinted based sensors allowed a potentiometric transduction, suggesting the existence of host–guest interactions. These sensors exhibited a near-Nernstian response in steady state evaluations; slopes and detection limits ranged 42–63 mV/decade and 2.5–31.3 µg/mL, respectively. Sensors were independent from the pH of test solutions within 2–5. Good selectivity was observed towards glycine, ciprofloxacin, creatinine, acid nalidixic, sulfadiazine, cysteine, hydroxylamine and lactose. In flowing media, the biomimetic sensors presented good reproducibility (RSD of ±0.7%), fast response, good sensitivity (65 mV/decade), wide linear range (5.0×10−5 to 1.0×10−2 mol/L), low detection limit (19.8 µg/mL), and a stable baseline for a 5×10−3M citrate buffer (pH 2.5) carrier. The sensors were successfully applied to the analysis of drugs and urine. This work confirms the possibility of using molecularly imprinted polymers as ionophores for organic ion recognition in potentiometric transduction.

FIA potentiometric system based on periodate polymeric membrane sensors for the assessment of ascorbic acid in commercial drinks

Ascorbic acid is found in many food samples. Its clinical and technological importance demands an easyto- use, rapid, robust and inexpensive method of analysis. For this purpose, this work proposes a new flow procedure based on the oxidation of ascorbic acid by periodate. A new potentiometric periodate sensor was constructed to monitor this reaction. The selective membranes were of PVC with porphyrin-based sensing systems and a lipophilic cation as additive. The sensor displayed a near-Nernstian response for periodate over 1.0x10-2–6.0x10-6 M, with an anionic slope of 73.9 ± 0.9 mV decade-1. It was pH independent in acidic media and presented good selectivity features towards several inorganic anions. The flow set-up operated in double-channel, carrying a 5.0x10-4 M IO- 4 solution and a suitable buffer; these were mixed in a 50-cm reaction coil. The overall flow rate was 7 ml min-1 and the injection volume 70 µl. Under these conditions, a linear behaviour against concentration was observed for 17.7–194.0 µg ml-1, presenting slopes of 0.169 mV (mg/l)-1, a reproducibility of ±1.1 mV (n = 5), and a sampling rate of ~96 samples h-1. The proposed method was applied to the analysis of beverages and pharmaceuticals.

Deteção eletroquímica da norfloxacina e trimetoprim em amostras de urina utilizando polímero molecularmente impresso modificado e grafeno

A norfloxacina e o trimetoprim são dois antibióticos antibacterianos usados para o tratamento de infeções urinárias, intestinais e respiratórias. A maioria dos fármacos exige uma dosagem que garanta os níveis de segurança e eficácia de atuação. A necessidade de dosear os medicamentos e os seus metabolitos é assim um controlo imperioso e em muitos casos regular no tratamento de um paciente. Neste trabalho desenvolveram-se dois sensores eletroquímicos para a deteção da norfloxacina (NFX) e do trimetoprim (TMP), usando como superfície de suporte o carbono vítreo. A busca de novos materiais que conferiram maior seletividade e sensibilidade aos sistemas de deteção e por outro lado apresentem menores riscos para o paciente quando usados em dispositivos que permitam uma análise point-of-care, é especialmente importante e pode ser uma parte crucial do processo de decisão clínica. Assim, os polímeros molecularmente impresos enquadram-se nesse perfil e o seu uso tem vindo a ser cada vez mais avaliado. A impressão molecular é uma tecnologia capaz de produzir polímeros que incorporam as moléculas do analito e que após remoção por solventes específicos, permitem dotá-los de locais específicos de reconhecimento estereoquímico. A seleção do pirrol como polímero molecularmente impresso (MIP) permitiu construir com sucesso os sensores para doseamento dos antibióticos. A fim de aumentar a sensibilidade do método incorporou-se grafeno na superfície do elétrodo. Este material tem vindo a ser largamente utilizado devido às suas propriedades: estrutura molecular, condutividade elétrica e aumento da superfície são algumas das características que mais despertam o interesse para a sua aplicação neste projeto. Os sensores desenvolvidos foram incorporados em sistemas eletroquímicos. Os métodos voltamétricos aplicados foram a voltametria cíclica, a voltametria de onda quadrada e ainda a impedância. As condições de análise foram otimizadas no que respeita à polimerização do pirrol (concentração do polímero, número de ciclos de eletropolimerização e respetivos potenciais aplicados, tempo de incubação, solvente de remoção do analito), ao pH da solução do fármaco, à gama de concentrações dos antibióticos e aos parâmetros voltamétricos dos métodos de análise. Para cada um dos antibióticos um elétrodo não-impresso foi também preparado, usando o procedimento de polimerização mas sem a presença da molécula do analito, e foi usado como controlo. O sensor desenvolvido para o trimetoprim foi usado no doseamento do fármaco em amostras de urina. As amostras foram analisadas sem qualquer diluição, apenas foram centrifugadas para remoção de proteínas e algum interferente. Os sensores construídos apresentaram comportamento linear na gama de concentrações entre 102 e 107 mol/L. Os resultados mostram boa precisão (desvios padrão inferiores a 11%) e os limites de deteção foram de 8,317 e 1,307 mol/L para a norfloxacina e o trimetoprim, respetivamente. Para validação do método foram ainda efetuados ensaios de recuperação tendo obtido valores superiores a 94%.

Laccase–Prussian blue film–graphene doped carbon paste modified electrode for carbamate pesticides quantification

A novel enzymatic biosensor for carbamate pesticides detection was developed through the direct immobilization of Trametes versicolor laccase on graphene doped carbon paste electrode functionalized with Prussianblue films (LACC/PB/GPE). Graphene was prepared by graphite sonication-assisted exfoliation and characterized by transmission electron microscopy and X-ray photoelectron spectro- scopy. The Prussian blue film electrodeposited onto graphene doped carbon paste electrode allowed considerable reduction of the charge transfer resistance and of the capacitance of the device.The combined effects of pH, enzyme concentration and incubation time on biosensor response were optimized using a 23 full-factorial statistical design and response surface methodology. Based on the inhibition of laccase activity and using 4-aminophenol as redox mediator at pH 5.0,LACC/PB/GPE exhibited suitable characteristics in terms of sensitivity, intra-and inter-day repeatability (1.8–3.8% RSD), reproducibility (4.1 and 6.3%RSD),selectivity(13.2% bias at the higher interference: substrate ratios tested),accuracy and stability(ca. twenty days)for quantification of five carbamates widely applied on tomato and potato crops.The attained detection limits ranged between 5.2×10−9 mol L−1(0.002 mg kg−1 w/w for ziram)and 1.0×10−7 mol L−1 (0.022 mg kg−1 w/w for carbofuran).Recovery values for the two tested spiking levels ranged from 90.2±0.1%(carbofuran)to 101.1±0.3% (ziram) for tomato and from 91.0±0.1%(formetanate)to 100.8±0.1%(ziram)for potato samples.The proposed methodology is appropriate to enable testing pesticide levels in food samples to fit with regulations and food inspections.

Response surface methodology applied to SPE for the determination of ibuprofen in various types of water samples

Over the last few years, there has been a growing concern about the presence of pharmaceuticals in the environment. The main objective of this study was to develop and validate an SPE method using surface response methodology for the determination of ibuprofen in different types of water samples. The influence of sample pH and sample volume on the ibuprofen recovery was studied. The effect of each studied independent variable is pronounced on the dependent variable (ibuprofen recovery). Good selectivity, extraction efficiency, and precision were achieved using 600 mL of sample volume with the pH adjusted to 2.2. LC with fluorescence detection was employed. The optimized method was applied to 20 water samples from the North and South of Portugal.

Quantificação de polifosfatos no bacalhau. Validação de um método de análise

O bacalhau (Gadus morhua) faz parte da dieta alimentar dos portugueses há vários séculos, sendo atualmente, um dos maiores consumidores deste peixe a nível mundial. Após o processo de salga, esta espécie possui características únicas como a consistência, cheiro, paladar e cor amarela. É precisamente devido à coloração do peixe que alguns produtores da Islândia, Noruega e Dinamarca requisitaram às autoridades da União Europeia (UE) a aprovação da utilização de polifosfatos no processo de salga húmida do bacalhau. Os polifosfatos são aditivos alimentares bastante usados no processamento do pescado pois previnem a oxidação dos lípidos e proteínas do músculo do bacalhau, evitando assim a indesejada mudança de cor do peixe. Apesar dos esforços da Associação dos Industriais do Bacalhau (AIB) e do governo português para a rejeição da proposta nórdica, tal não se verificou. Deste modo, no início do próximo ano já será possível a venda na UE de bacalhau com fosfatos. A quantificação do teor de fosfatos no bacalhau é geralmente efetuada por Espetrofotometria de absorção molecular no ultravioleta-visível (UV-Visível). Esta quantificação é baseada no método de determinação do fósforo total, através da hidrólise dos fosfatos a ortofosfatos com posterior medição da cor amarela, gerada pela reação destes com uma solução de molibdato-vanadato. O objetivo desta dissertação foi a validação de um método de análise para a quantificação dos polifosfatos no bacalhau. O método validado foi o descrito na norma NP 4495 para produtos de pesca e aquicultura. O desenvolvimento deste trabalho foi realizado em laboratório acreditado para águas e produtos alimentares (Equilibrium - Laboratório de Controlo de Qualidade e de Processos Lda, L0312). Foi ainda determinada a influência do teor de cloreto de sódio na quantificação dos polifosfatos e o teor de humidade, uma vez que este pode afetar o produto durante a sua comercialização. No processo de validação do método foram estudados diversos parâmetros, tais como a seletividade, linearidade, sensibilidade, limite de quantificação e precisão. Pela análise dos resultados obtidos conclui-se que o método para determinação de fosfatos no bacalhau se encontra validado, uma vez que satisfaz todas as especificações determinadas para cada parâmetro de validação avaliado.

MIP-graphene-modified glassy carbon electrode for the determination of trimethoprim

A novel sensitive electrochemical sensor was developed by electropolymerization of pyrrole(PY)and molecularly imprinted polymer (MIP)which was synthesized onto a glassy carbon electrode (GCE) in aqueous solution using cyclic voltammetry in the presence of Trimethoprim (TMP) as template molecules. Furthermore,a previous electrode modification was performed by deposition of a suspension of graphene on the electrode's surface. The performance of the imprinted and non-imprinted (NIP) films was evaluated by impedance spectroscopy (EIS) and cyclic voltammetry (CV) of a ferric solution. The molecularly imprinted film exhibited a high selectivity and sensitivity toward TMP. The sensor presented a linear range, between peak current intensity and logarithm of TMP concentration between 1.0x10-6 and 1.0x10-4 M. The results were accurate (with recoveries higher than 94%), precise (with standard deviations less than 5%) and the detection limit was 1.3x10-7 M. The new sensor is selective, simple to construct and easy to operate. The MIP sensor was successfully applied to quantify TMP in urinesamples.

Enantiomeric fraction evaluation of pharmaceuticals in environmentalmatrices by liquid chromatography-tandem mass spectrometry

The interest for environmental fate assessment of chiral pharmaceuticals is increasing and enantioselective analytical methods are mandatory. This study presents an enantioselective analytical method for the quantification of seven pairs of enantiomers of pharmaceuticals and a pair of a metabolite. The selected chiral pharmaceuticals belong to three different therapeutic classes, namely selective serotonin reuptake inhibitors (venlafaxine, fluoxetine and its metabolite norfluoxetine), beta-blockers (alprenolol, bisoprolol, metoprolol, propranolol) and a beta2-adrenergic agonist (salbutamol). The analytical method was based on solid phase extraction followed by liquid chromatography tandem mass spectrometry with a triple quadrupole analyser. Briefly, Oasis® MCX cartridges were used to preconcentrate 250 mL of water samples and the reconstituted extracts were analysed with a Chirobiotic™ V under reversed mode. The effluent of a laboratory-scale aerobic granular sludge sequencing batch reactor (AGS-SBR) was used to validate the method. Linearity (r2 > 0.99), selectivity and sensitivity were achieved in the range of 20–400 ng L−1 for all enantiomers, except for norfluoxetine enantiomers which range covered 30–400 ng L−1. The method detection limits were between 0.65 and 11.5 ng L−1 and the method quantification limits were between 1.98 and 19.7 ng L−1. The identity of all enantiomers was confirmed using two MS/MS transitions and its ion ratios, according to European Commission Decision 2002/657/EC. This method was successfully applied to evaluate effluents of wastewater treatment plants (WWTP) in Portugal. Venlafaxine and fluoxetine were quantified as non-racemic mixtures (enantiomeric fraction ≠ 0.5). The enantioselective validated method was able to monitor chiral pharmaceuticals in WWTP effluents and has potential to assess the enantioselective biodegradation in bioreactors. Further application in environmental matrices as surface and estuarine waters can be exploited.

Estudo e Coordenação das Principais Protecções Eléctricas de Geradores e Transformadores de uma Central de Cogeração

O Sector eléctrico possui uma grande importância nas sociedades modernas. Dados os elevados custos de produção de energia e o grande impacto que esta tem na nossa economia e na sociedade, em geral, a utilização mais eficiente da energia é um factor fulcral. Com a evolução da electrónica e consequente aumento das capacidades dos computadores, as protecções eléctricas são cada vez mais eficazes e com índices de fiabilidade mais elevados, algo muito importante em instalações de elevado custo de investimento e manutenção. No entanto, o seu bom funcionamento está dependente do correcto dimensionamento das protecções e de uma análise técnica capaz de prever necessidades futuras. Após uma breve introdução no capítulo 1 é efectuado no capítulo 2 um breve estudo de protecções eléctricas e o seu estado de arte. Nos Capítulos 3 e 4 é efectuado o dimensionamento e estudo da selectividade das protecções de grupo de Alternador e Transformador escolhidos para a nova central de cogeração da refinaria de Matosinhos da Galp. No presente estudo foram apenas consideradas as protecções típicas de alternador e apenas a protecção diferencial do transformador. Todas as protecções foram dimensionadas com base no tutorial de protecções de geradores do IEE e com informação referente ao manual de instruções do relé G60 da GE industrial systems, o DTP-B da GE multilin e o ELIN Power Plant Automation. No Capítulo 5 é demonstrada a importância da análise Safety Instruments Systems (SIS), o seu modo de aplicação e necessidade de implementação em locais industriais como o caso em estudo. Por último, é efectuado um pequeno estudo económico onde é efectuada a comparação dos custos dos diversos equipamentos, protecções e manutenções efectuadas.

Desenvolvimento e aplicação de um biossensor para monitorização de creatinina, um biomarcador associado a doenças emergentes

Este trabalho descreve o desenvolvimento de um material sensor para creatinina por impressão molecular em estrutura polimérica (MIP) e a sua aplicação no desenvolvimento de um dispositivo de natureza potenciométrica para a determinação da molécula alvo em fluidos biológicos. A creatinina é um dos biomarcadores mais utilizados no acompanhamento da doença renal, já que é um bom indicador da taxa de filtração glomerular (TFG). Os materiais biomiméticos desenhados para interação com a creatinina foram obtidos por polimerização radicalar, recorrendo a monómeros de ácido metacríclico ou de vinilpiridina e a um agente de reticulação apropriado. De modo a aferir o efeito da impressão da creatinina na resposta dos materiais MIP à sua presença, foram também preparados e avaliados materiais de controlo, obtidos sem impressão molecular (NIP). O controlo da constituição química destes materiais, incluindo a extração da molécula impressa, foi realizado por Espectroscopia de Raman e de Infravermelho com Transformada de Fourrier. A afinidade de ligação entre estes materiais e a creatinina foi também avaliada com base em estudos cinéticos. Todos os materiais descritos foram integrados em membranas selectivas de elétrodos seletivos de ião, preparadas sem ou com aditivo iónico lipófilo, de carga negativa ou positiva. A avaliação das características gerais de funcionamento destes elétrodos, em meios de composição e pH diferentes, indicaram que as membranas com materiais impressos e aditivo aniónico eram as únicas com utilidade analítica. Os melhores resultados foram obtidos em solução tampão Piperazine-N,N′-bis(2- ethanesulfonic acid), PIPES, de pH 2,8, condição que permitiu obter uma resposta quasi-Nernstiana, a partir de 1,6×10-5 mol L-1. Estes elétrodos demonstraram ainda uma boa selectividade ao apresentaram uma resposta preferencial para a creatinina quando na presença de ureia, carnitina, glucose, ácido ascórbico, albumina, cloreto de cálcio, cloreto de potássio, cloreto de sódio e sulfato de magnésio. Os elétrodos foram ainda aplicados com sucesso na análise de amostras sintéticas de urina, quando os materiais sensores eram baseados em ácido metacrilico, e soro, quando os materiais sensores utilizados eram baseados em vinilpiridina.

Sarcosine oxidase composite screen-printed electrode for sarcosine determination in biological samples

As the prostate cancer (PCa) progresses, sarcosine levels increase both in tumor cells and urine samples, suggesting that this metabolite measurements can help in the creation of non-invasive diagnostic methods for this disease. In this work, a biosensor device was developed for the quantification of sarcosine via electrochemical detection of H2O2 (at 0.6 V) generated from the catalyzed oxidation of sarcosine. The detection was carried out after the modification of carbon screen printed electrodes (SPEs) by immobilization of sarcosine oxidase (SOX) on the electrode surface. The strategies used herein included the activation of the carbon films by an electrochemical step and the formation of an NHS/EDAC layer to bond the enzyme to the electrode, the use of metallic or semiconductor nanoparticles layer previously or during the enzyme immobilization. In order to improve the sensor stability and selectivity a polymeric layer with extra enzyme content was further added. The proposed methodology for the detection of sarcosine allowed obtaining a limit of detection (LOD) of 16 nM, using a linear concentration range between 10 and 100 nM. The biosensor was successfully applied to the analysis of sarcosine in urine samples.

Chitosan/AuNPs Modified Graphene Electrochemical Sensor for Label-Free Human Chorionic Gonadotropin Detection

A new immunosensor is presented for human chorionic gonadotropin (hCG), made by electrodepositing chitosan/gold-nanoparticles over graphene screen-printed electrode (SPE). The antibody was covalently bound to CS via its Fc-terminal. The assembly was controlled by electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) and followed by Fourier Transformed Infrared (FTIR). The hCG-immunosensor displayed linear response against the logarithm-hCG concentration for 0.1–25 ng/mL with limit of detection of 0.016 ng/mL. High selectivity was observed in blank urine and successful detection of hCG was also achieved in spiked samples of real urine from pregnant woman. The immunosensor showed good detection capability, simplicity of fabrication, low-cost, high sensitivity and selectivity.

Haemoglobin smart plastic antibody material tailored with charged binding sites on silica nanoparticles: its application as an ionophore in potentiometric transduction

This work uses surface imprinting to design a novel smart plastic antibodymaterial (SPAM) for Haemoglobin (Hb). Charged binding sites are described here for the first time to tailor plastic antibody nanostructures for a large size protein such as Hb. Its application to design small, portable and low cost potentiometric devices is presented. The SPAM material was obtained by linking Hb to silica nanoparticles and allowing its ionic interaction with charged vinyl monomers. A neutral polymeric matrix was created around these and the imprinted protein removed. Additional materials were designed in parallel acting as a control: a neutral imprinted material (NSPAM), obtained by removing the charged monomers from the procedure, and the Non-Imprinted (NI) versions of SPAM and NSPAM by removing the template. SEM analysis confirmed the surface modification of the silica nanoparticles. All materials were mixed with PVC/plasticizer and applied as selective membranes in potentiometric transduction. Electromotive force (emf) variations were detected only for selective membranes having a lipophilic anionic additive in the membrane. The presence of Hb inside these membranes was evident and confirmed by FTIR, optical microscopy and Raman spectroscopy. The best performance was found for SPAM-based selective membranes with an anionic lipophilic additive, at pH 5. The limits of detection were 43.8 mg mL 1 and linear responses were obtained down to 83.8 mg mL 1, with an average cationic slope of +40 mV per decade. Good selectivity was also observed against other coexisting biomolecules. The analytical application was conducted successfully, showing accurate and precise results.